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““DISEÑO DE CANALES”DISEÑO DE CANALES”
ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVILINGENIERÍA CIVIL
ING. HUGO AMADO ROJAS RUBIOING. HUGO AMADO ROJAS RUBIO
INTRODUCCIONINTRODUCCION En un proyecto de irrigación la parte En un proyecto de irrigación la parte
que comprende el diseño de los que comprende el diseño de los canales y obras de arte, así como el canales y obras de arte, así como el caudal, constituyen factores importantes caudal, constituyen factores importantes en un proyecto de riego. Este ultimo en un proyecto de riego. Este ultimo es un parámetro que se obtiene sobre la es un parámetro que se obtiene sobre la base del tipo de suelo, cultivo, base del tipo de suelo, cultivo, condiciones climáticas, métodos de condiciones climáticas, métodos de riego, etc., es decir mediante la riego, etc., es decir mediante la conjunción de la relación agua - suelo - conjunción de la relación agua - suelo - planta y la hidrología.planta y la hidrología.
OBJETIVOSOBJETIVOS Aplicar la hidráulica y la mecánica de Aplicar la hidráulica y la mecánica de
fluidos para el diseño de los sistemas de fluidos para el diseño de los sistemas de flujo a superficies libres en canales.flujo a superficies libres en canales.
Haciendo el uso de normas, se Haciendo el uso de normas, se pretende fijar los requisitos mínimos de pretende fijar los requisitos mínimos de ingeniería para el diseño y ejecución de ingeniería para el diseño y ejecución de las obras e instalaciones hidráulicas .las obras e instalaciones hidráulicas .
Analizar y discutir críticamente el diseño y Analizar y discutir críticamente el diseño y funcionamiento de canales construidos y funcionamiento de canales construidos y en funcionamiento. en funcionamiento.
GENERALIDADESGENERALIDADES Un canal abierto es un conducto en el que Un canal abierto es un conducto en el que
el liquido fluye con una el liquido fluye con una superficie sometida a la presión superficie sometida a la presión atmosférica. El flujo se origina por la atmosférica. El flujo se origina por la pendiente del canal y de la superficie del pendiente del canal y de la superficie del liquido. La solución exacta de los liquido. La solución exacta de los problemas de flujo es difícil y problemas de flujo es difícil y depende de datos experimentales depende de datos experimentales que debe cumplir una amplia gama que debe cumplir una amplia gama de condiciones. de condiciones.
ESTRUCTURAS QUE ESTRUCTURAS QUE SE CONSTRUYEN EN SE CONSTRUYEN EN
LOS CANALESLOS CANALES
Son las obras que permiten derivar Son las obras que permiten derivar el agua desde la fuente que el agua desde la fuente que alimenta el sistema . Esta fuente alimenta el sistema . Esta fuente puede ser una corriente natural , puede ser una corriente natural , un embalse o el agua subterránea un embalse o el agua subterránea de un acuífero. A continuación se hace de un acuífero. A continuación se hace un análisis de las un análisis de las captaciones en corrientes naturales.captaciones en corrientes naturales.
1.- CAPTACIONES1.- CAPTACIONES
La captación consta de la bocatoma, La captación consta de la bocatoma, el canal de aducción y el canal de aducción y el tanque sedimentador.el tanque sedimentador.
En la figura siguiente En la figura siguiente se muestran esquemáticamente los se muestran esquemáticamente los tipos de bocatoma más utilizadas.tipos de bocatoma más utilizadas.
Las magnitudes de los caudales que se captan en Las magnitudes de los caudales que se captan en las bocatomas son función de los las bocatomas son función de los niveles de agua que se presentan niveles de agua que se presentan inmediatamente arriba de la estructura inmediatamente arriba de la estructura de control. Como los niveles dependen del caudal de control. Como los niveles dependen del caudal Q de la corriente natural, y siendo el caudal Q de la corriente natural, y siendo el caudal variable, entonces las bocatomas no captan un variable, entonces las bocatomas no captan un caudal constante. Durante los estiajes captan caudal constante. Durante los estiajes captan caudales pequeños y durante las crecientes caudales pequeños y durante las crecientes captan excesos que deben ser devueltos a la captan excesos que deben ser devueltos a la corriente lo más pronto posible, ya sea desde el corriente lo más pronto posible, ya sea desde el canal de aducción o desde el desarenador. canal de aducción o desde el desarenador.
La sedimentación que se genera en la corriente La sedimentación que se genera en la corriente natural por causa de la obstrucción que se induce natural por causa de la obstrucción que se induce por la presencia de la estructura de control es un por la presencia de la estructura de control es un gran inconveniente en la operación de las gran inconveniente en la operación de las bocatomas laterales.bocatomas laterales.
El canal de aducción conecta la bocatoma El canal de aducción conecta la bocatoma con el desarenador; tiene una transición con el desarenador; tiene una transición de entrada , una curva horizontal y un de entrada , una curva horizontal y un tramo recto, paralelo a la corriente tramo recto, paralelo a la corriente natural, hasta el desarenador. Es un natural, hasta el desarenador. Es un canal de baja pendiente y régimen canal de baja pendiente y régimen tranquilo que se diseña para recibir los tranquilo que se diseña para recibir los caudales de aguas altas que pueden caudales de aguas altas que pueden entrar por la toma. En la práctica es entrar por la toma. En la práctica es preferible que sea de corta longitud y en preferible que sea de corta longitud y en algunos casos, cuando las condiciones algunos casos, cuando las condiciones topográficas de la zona de captación lo topográficas de la zona de captación lo permiten, se elimina el canal de permiten, se elimina el canal de aducción y el desarenador se incluye aducción y el desarenador se incluye dentro de la estructura de la bocatoma. dentro de la estructura de la bocatoma.
2.- COMPUERTAS Y 2.- COMPUERTAS Y VERTEDEROSVERTEDEROS
Son estructuras de control hidráulico. Son estructuras de control hidráulico. Su función es la de presentar un Su función es la de presentar un obstáculo al libre flujo del agua obstáculo al libre flujo del agua , con el consiguiente , con el consiguiente represamiento aguas arriba represamiento aguas arriba de la estructura , y el de la estructura , y el aumento de la velocidad aguas abajo.aumento de la velocidad aguas abajo.
3.- TRANSICIONES3.- TRANSICIONES Son estructuras que empalman tramos de Son estructuras que empalman tramos de
canales que tienen secciones transversales canales que tienen secciones transversales diferentes en forma o en dimensión. Por ejemplo un diferentes en forma o en dimensión. Por ejemplo un tramo de sección rectangular con uno de sección tramo de sección rectangular con uno de sección trapezoidal , o un tramo de sección trapezoidal , o un tramo de sección rectangular de ancho b1 con otro rectangular de rectangular de ancho b1 con otro rectangular de ancho b2, etc.ancho b2, etc.
Las transiciones funcionan mejor cuando los tramos que Las transiciones funcionan mejor cuando los tramos que se van a empalmar son de baja pendiente, con se van a empalmar son de baja pendiente, con régimen subcrítico; en este caso las pérdidas régimen subcrítico; en este caso las pérdidas hidráulicas por cambio de sección son relativamente hidráulicas por cambio de sección son relativamente pequeñas. pequeñas.
Cuando la transición se coloca en tramos de alta Cuando la transición se coloca en tramos de alta pendiente, en régimen supercrítico, las pérdidas pendiente, en régimen supercrítico, las pérdidas hidráulicas son altas y no son cuantificables con buena hidráulicas son altas y no son cuantificables con buena precisión, lo cual hace que los cálculos hidráulicos no precisión, lo cual hace que los cálculos hidráulicos no resulten aceptables. En esta circunstancia es resulten aceptables. En esta circunstancia es recomendable diseñar la transición con ayuda de un recomendable diseñar la transición con ayuda de un modelo hidráulico.modelo hidráulico.
4.- SIFONES Y 4.- SIFONES Y ACUEDUCTOSACUEDUCTOS
Cuando en la trayectoria de un Cuando en la trayectoria de un canal se presenta una depresión canal se presenta una depresión en el terreno natural se hace en el terreno natural se hace necesario superar esa depresión necesario superar esa depresión con un sifón o con un puente que con un sifón o con un puente que se denomina acueductose denomina acueducto..
La decisión que se debe tomar sobre cual La decisión que se debe tomar sobre cual de las dos estructuras de las dos estructuras usar, en un caso usar, en un caso determinado depende determinado depende de consideraciones del tipo de consideraciones del tipo económico y de seguridad.económico y de seguridad.
5.- 5.- TUNELESTUNELES Cuando en el trazado de un canal se encuentra Cuando en el trazado de un canal se encuentra
una protuberancia en el terreno, por ejemplo una protuberancia en el terreno, por ejemplo una colina, se presenta la posibilidad de dar un una colina, se presenta la posibilidad de dar un rodeo para evitarla, o atravesarla con un túnel.rodeo para evitarla, o atravesarla con un túnel.
Antes de construir el túnel es necesario Antes de construir el túnel es necesario realizar los diseños geotécnicos, realizar los diseños geotécnicos, estructurales, hidráulicos y ambientales estructurales, hidráulicos y ambientales necesarios para garantizar su estabilidad y su necesarios para garantizar su estabilidad y su funcionalidad.funcionalidad.
Un túnel que se emplea como canal funciona Un túnel que se emplea como canal funciona como un conducto cerrado, parcialmente lleno. La como un conducto cerrado, parcialmente lleno. La sección del canal puede ser revestida o excavada y sección del canal puede ser revestida o excavada y puede conservar la forma geométrica del canal puede conservar la forma geométrica del canal original, o adaptarse a la sección transversal del original, o adaptarse a la sección transversal del túnel.túnel.
6.- 6.- RAMPAS, ESCALONES Y RAMPAS, ESCALONES Y DISIPADORES DE ENERGÍADISIPADORES DE ENERGÍA
Los canales que se diseñan en tramos de Los canales que se diseñan en tramos de pendiente fuerte resultan con velocidades pendiente fuerte resultan con velocidades de flujo muy altas que superan muchas veces de flujo muy altas que superan muchas veces las máximas admisibles para los materiales las máximas admisibles para los materiales que se utilizan frecuentemente en su que se utilizan frecuentemente en su construcción. construcción.
Para controlar las velocidades en tramos de Para controlar las velocidades en tramos de alta pendiente se pueden utilizar alta pendiente se pueden utilizar combinaciones de rampas y combinaciones de rampas y escalones , siguiendo las variaciones escalones , siguiendo las variaciones del terreno . Las rampas son canales del terreno . Las rampas son canales cortos de pendiente fuerte, con cortos de pendiente fuerte, con velocidades altas y régimen velocidades altas y régimen supercrítico; los escalones se forman supercrítico; los escalones se forman cuando se colocan caídas al final de tramos de cuando se colocan caídas al final de tramos de baja pendiente, en régimen subcrítico.baja pendiente, en régimen subcrítico.
Los disipadores de energía son estructuras Los disipadores de energía son estructuras que se diseñan para generar pérdidas que se diseñan para generar pérdidas hidráulicas importantes en los flujos de alta hidráulicas importantes en los flujos de alta velocidad. El objetivo es reducir la velocidad. El objetivo es reducir la velocidad y pasar el flujo de régimen velocidad y pasar el flujo de régimen supercrítico a subcrítico.supercrítico a subcrítico.
Las pérdidas de energía son ocasionadas Las pérdidas de energía son ocasionadas por choque contra una pantalla por choque contra una pantalla vertical en disipadores de vertical en disipadores de impacto , por caídas consecutivas en impacto , por caídas consecutivas en canales escalonados, o por la formación canales escalonados, o por la formación de un resalto hidráulico en de un resalto hidráulico en disipadores de tanque. disipadores de tanque.
7.- 7.- ESTRUCTURAS DE ESTRUCTURAS DE ENTREGAENTREGA
El tramo final de un canal entrega su El tramo final de un canal entrega su caudal a un tanque, a otro canal o a una caudal a un tanque, a otro canal o a una corriente natural. Estas entregas se corriente natural. Estas entregas se hacen siempre por encima del nivel hacen siempre por encima del nivel máximo de aguas de la estructura máximo de aguas de la estructura recolectora.recolectora.
Las obras son sencillas cuando la entrega Las obras son sencillas cuando la entrega se realiza a un tanque o a un canal se realiza a un tanque o a un canal porque los niveles de agua en porque los niveles de agua en estos últimos son controlados.estos últimos son controlados.
CANALES DE CANALES DE RIEGO POR SU RIEGO POR SU
FUNCIÓNFUNCIÓN
Los canales de riego por sus diferentes funciones Los canales de riego por sus diferentes funciones adoptan las siguientes denominacionesadoptan las siguientes denominaciones ::
Canal de primer orden.-Canal de primer orden.- Llamado también canal Llamado también canal madre o de derivación y se le traza siempre con madre o de derivación y se le traza siempre con pendiente mínima, normalmente es usado por un solo pendiente mínima, normalmente es usado por un solo lado ya que por el otro lado da con terrenos altos.lado ya que por el otro lado da con terrenos altos.
Canal de segundo orden.-Canal de segundo orden.- Llamados Llamados también laterales, son aquellos que salen del canal también laterales, son aquellos que salen del canal madre y el caudal que ingresa a ellos, es repartido madre y el caudal que ingresa a ellos, es repartido hacia los sub – laterales, el área de riego que hacia los sub – laterales, el área de riego que sirve un lateral se conoce como unidad de riego.sirve un lateral se conoce como unidad de riego.
Canal de tercer orden.-Canal de tercer orden.- Llamados también sub Llamados también sub – laterales y nacen de los canales laterales, el – laterales y nacen de los canales laterales, el caudal que ingresa a ellos es repartido caudal que ingresa a ellos es repartido hacia las propiedades,: el área de riego que sirve hacia las propiedades,: el área de riego que sirve un sub – lateral se conoce como unidad parcelaria.un sub – lateral se conoce como unidad parcelaria.
ELEMENTOS ELEMENTOS BÁSICOS EN EL BÁSICOS EN EL
DISEÑO DE CANALESDISEÑO DE CANALES
Trazo de canalesTrazo de canalesCuando se trata de trazar un canal o un Cuando se trata de trazar un canal o un sistema de canales es necesario sistema de canales es necesario recolectar la siguiente información básica:recolectar la siguiente información básica:
Fotografías aéreasFotografías aéreas : : Para localizar Para localizar los poblados, caseríos, áreas de los poblados, caseríos, áreas de cultivo, vías de comunicación, etc.cultivo, vías de comunicación, etc.
Planos topográficos y catastrales.Planos topográficos y catastrales. Estudios geológicosEstudios geológicos , salinidad , , salinidad ,
suelos y demás información que pueda suelos y demás información que pueda conjugarse en el trazo de canales.conjugarse en el trazo de canales.
a)a) Reconocimiento del terreno:Reconocimiento del terreno:
Se recorre la zona, anotándose Se recorre la zona, anotándose todos los detalles que influyen en la todos los detalles que influyen en la determinación de un eje determinación de un eje probable de trazo , probable de trazo , determinándose el punto determinándose el punto inicial y el punto final.inicial y el punto final.
b)b) Trazo preliminar:Trazo preliminar:
Se procede a levantar la zona con una Se procede a levantar la zona con una brigada topográfica, clavando en el terreno brigada topográfica, clavando en el terreno las estacas de la poligonal preliminar las estacas de la poligonal preliminar y luego el levantamiento con y luego el levantamiento con teodolito, posteriormente a este teodolito, posteriormente a este levantamiento se nivelará la poligonal levantamiento se nivelará la poligonal y se hará el levantamiento y se hará el levantamiento de secciones transversales, estas de secciones transversales, estas secciones se harán de acuerdo a criterio, secciones se harán de acuerdo a criterio, si es un terreno con una alta distorsión de si es un terreno con una alta distorsión de relieve, la sección se hace a cada 5 m , si relieve, la sección se hace a cada 5 m , si el terreno no muestra muchas el terreno no muestra muchas variaciones y es uniforme la sección es variaciones y es uniforme la sección es máximo a cada 20 m.máximo a cada 20 m.
c)c) Trazo definitivo:Trazo definitivo:
Con los datos de (b) se procede Con los datos de (b) se procede al trazo definitivo , teniendo en cuenta al trazo definitivo , teniendo en cuenta la escala del plano , la cual la escala del plano , la cual depende básicamente de la topografía depende básicamente de la topografía de la zona y de la precisión que se desea:de la zona y de la precisión que se desea:
Terrenos con pendiente transversal Terrenos con pendiente transversal mayor a 25%, se recomienda escala de mayor a 25%, se recomienda escala de 1:500.1:500.
Terrenos con pendiente transversal Terrenos con pendiente transversal menor a 25%, se recomienda escalas de menor a 25%, se recomienda escalas de 1:1000 a 1:2000. 1:1000 a 1:2000.
PRINCIPIOS PRINCIPIOS BÁSICOSBÁSICOS
Elementos de las sección Elementos de las sección de un canal :de un canal :
T = Ancho superior del canal.
b = Plantilla
z = Valor horizontal de la inclinación del talud
C = Berma del camino, puede ser: 0,5; 0,75; 1,00 m., según el canal sea de tercer, segundo o primer orden respectivamente.
V = Ancho del camino de vigilancia puede ser: 3; 4 y 6 m.,
H = Altura de caja o profundidad de rasante del canal.
Relaciones geométricas de las secciones transversales mas Relaciones geométricas de las secciones transversales mas Frecuentes :Frecuentes :
Tipo de flujos en Tipo de flujos en canales:canales:
Flujo permanente y no permanente :Flujo permanente y no permanente :
El parámetro que se utiliza para su clasificación es el tiempo. El parámetro que se utiliza para su clasificación es el tiempo. En un flujo permanente, los parámetros hidráulicos ( y, A, v , etc.), En un flujo permanente, los parámetros hidráulicos ( y, A, v , etc.),
no varían con el tiempo, es decir : no varían con el tiempo, es decir : “ La velocidad “ La velocidad permanece constante en función del tiempo.”permanece constante en función del tiempo.”
dy / dt = 0 , dv / d t = 0 , dA / d t = 0 dy / dt = 0 , dv / d t = 0 , dA / d t = 0 ( P( Permanenteermanente))
En un flujo no permanente, los parámetros hidráulicos ( y, A, En un flujo no permanente, los parámetros hidráulicos ( y, A, v , etc.), varían con el tiempo es decirv , etc.), varían con el tiempo es decir: : ”La velocidad es ”La velocidad es variable y depende del tiempo”variable y depende del tiempo”
dy / dt dy / dt 0 , dv / d t 0 , dv / d t 0 , dA / d t 0 , dA / d t 0 0 ( N( No permanenteo permanente))
Flujo uniforme y variado:Flujo uniforme y variado: EEl parámetro que se utiliza para su l parámetro que se utiliza para su
clasificación es la longitud.clasificación es la longitud. En un flujo uniforme, los parámetros hidráulicos En un flujo uniforme, los parámetros hidráulicos
( y, A, v, etc.), no varían de una sección a otra, es ( y, A, v, etc.), no varían de una sección a otra, es decir:decir:““La velocidad media permanece constante”La velocidad media permanece constante”
dy / dt = 0 , dv / d t = 0 , dA / d t = 0 ( uniforme )
En un flujo variado, En un flujo variado, los parámetros los parámetros hidráulicos ( hidráulicos ( y, A, v, etc.y, A, v, etc.), varían de una ), varían de una sección a otra, es decir: sección a otra, es decir: “La velocidad “La velocidad varia en forma gradual en varia en forma gradual en función del espacio y el tiempo”función del espacio y el tiempo”
dy / dt dy / dt 0 , dv / d t 0 , dv / d t 0 , dA / d t 0 , dA / d t 0 0
( ( variado variado ))
Flujo laminar, turbulento y de transición:Flujo laminar, turbulento y de transición:
El parámetro que se utiliza para su clasificación es el El parámetro que se utiliza para su clasificación es el numero de reynolds.numero de reynolds.
Re = ( Re = ( v R ) / v R ) / Donde: Donde:
Re = numero de reynoldsRe = numero de reynoldsR = radio hidráulico, en m.R = radio hidráulico, en m.V = V = velocidad media, en m / s.velocidad media, en m / s. = = viscosidad viscosidad cinemática del agua, en m / S2.cinemática del agua, en m / S2.
Y su selección es según el rango en que se encuentra el Y su selección es según el rango en que se encuentra el numero de numero de
Reynolds.Reynolds.
Si Re Si Re 580 flujo laminar. 580 flujo laminar.Si 580 Si 580 Re Re 750 flujo de transición. 750 flujo de transición.Si Re Si Re 750 flujo turbulento. 750 flujo turbulento.
Flujo critico, subcrítico, supercrítico:Flujo critico, subcrítico, supercrítico:El parámetro que se utiliza para su aplicación es el El parámetro que se utiliza para su aplicación es el numero de Froude : numero de Froude :
F = F = v / v / ( g y ) ½ = ( g y ) ½ = v v / ( g A / T ) ½/ ( g A / T ) ½
DONDE:DONDE:
F = numero de Froude F = numero de Froude V = V = velocidad media, en m / s.velocidad media, en m / s.g = aceleración de la gravedad, 9.81 m / S2.g = aceleración de la gravedad, 9.81 m / S2.y = tirante medio, en m.y = tirante medio, en m.A = área hidráulica, en m2.A = área hidráulica, en m2.T = espejo de agua, en m.T = espejo de agua, en m. Y su selección es según el rango en que se encuentra el Y su selección es según el rango en que se encuentra el
numeronumero de Froude:de Froude:
* si F * si F 1 flujo subcrítico 1 flujo subcrítico* si F = 1 flujo critico* si F = 1 flujo critico* si F * si F 1 flujo supercrítico 1 flujo supercrítico
Ecuación de continuidad:Ecuación de continuidad: CCuando el caudal es constante en uando el caudal es constante en un tramo, la ecuación que gobierna el flujo un tramo, la ecuación que gobierna el flujo desde el punto de vista de la desde el punto de vista de la conservación de la masa, se llama conservación de la masa, se llama ecuación de continuidad, la cual se ecuación de continuidad, la cual se expresa:expresa:
Q = Q = v Av A
Para las secciones 1 y 2 ( Fig. 1 ), se tiene:Para las secciones 1 y 2 ( Fig. 1 ), se tiene:Q = v1 A1 = v2 A2 = Q = v1 A1 = v2 A2 = Cte Cte..
Donde:Donde:Q =Q = caudal caudalVV = = velocidad media de la sección. velocidad media de la sección.A =A = area hidráulica. area hidráulica.
( Fig. 1 )
Ecuación de energía : Ecuación de energía : Ecuación de BernoulliEcuación de Bernoulli La forma mas conocida de la ecuación La forma mas conocida de la ecuación de bernoulli ( Fig.2), para un fluido de bernoulli ( Fig.2), para un fluido perfecto, es aquella en la que la energía perfecto, es aquella en la que la energía total se expresa por unidad de peso (m- total se expresa por unidad de peso (m- Kg / Kg ):Kg / Kg ):
E = Z + ( E = Z + ( P / P / ) + ) + ( V2 / 2g ) = Cte. o ( V2 / 2g ) = Cte. o E = Z + E = Z + Y + Y + (V2 / 2g ) = Cte. (V2 / 2g ) = Cte.
( Fig. 2 )( Fig. 2 )
V1* V1 / 2g )
V2* V2 / 2g )
La ecuación de la energía por unidad de peso, La ecuación de la energía por unidad de peso, para un fluido real, para el tramo 1 y 2 se para un fluido real, para el tramo 1 y 2 se representa como:representa como:
Z1+ y1+ Z1+ y1+ ( V1 2 / 2g ) = Z2+ y2+ ( V1 2 / 2g ) = Z2+ y2+ ( V2 2 / 2g ) + hf 1 – 2 ( V2 2 / 2g ) + hf 1 – 2
E1 = E2 + h f 1 - 2E1 = E2 + h f 1 - 2Donde:Donde:
E =E = energía total en la sección. energía total en la sección.Z =Z = energía de posición. energía de posición.Y =Y = tirante de la sección. tirante de la sección.V =V = velocidad media que lleva el flujo en la sección.velocidad media que lleva el flujo en la sección. = coeficiente de coriolis.= coeficiente de coriolis. ( ( v 2 / 2g v 2 / 2g ) = carga de velocidad.) = carga de velocidad.h f 1 – 2 = disipación de energía en el tramo 1 – 2.h f 1 – 2 = disipación de energía en el tramo 1 – 2.
FORMULAS USUALES FORMULAS USUALES EN CANALES PARA EL EN CANALES PARA EL
FLUJO FLUJO UNIFORME:UNIFORME:
Formula de chezyFormula de chezy
V = V = C ( RS ) 1/2 C ( RS ) 1/2 Donde:Donde: V =V = velocidad media del canalvelocidad media del canalC =C = coeficiente de chezy, depende de las coeficiente de chezy, depende de las
características características del escurrimiento y de la naturaleza de las del escurrimiento y de la naturaleza de las paredesparedes
R =R = radio hidráulico, m radio hidráulico, mS =S = pendiente de las línea de energía, para el flujo pendiente de las línea de energía, para el flujo uniforme, m / m uniforme, m / m
Por muchos años diferentes investigadores, Por muchos años diferentes investigadores, encaminaron sus esfuerzos a evaluar el coeficiente encaminaron sus esfuerzos a evaluar el coeficiente CC de chezy, de acuerdo a distintas formulas, de las cuales de chezy, de acuerdo a distintas formulas, de las cuales actualmente la mas usadas es la formula de manning actualmente la mas usadas es la formula de manning ( 1889 ), en la cual:( 1889 ), en la cual:
C = ( R1/6 / n ) y :C = ( R1/6 / n ) y :
V = ( R2/3 S1/2 / n ) V = ( R2/3 S1/2 / n ) Q = A ( R2/3 S1/2 / n )Q = A ( R2/3 S1/2 / n )
Donde:Donde:V =V = velocidad media, m / svelocidad media, m / sR =R = radio hidráulico, m radio hidráulico, mS =S = pendiente de las línea de energía, para el flujo pendiente de las línea de energía, para el flujo uniforme, m / m ( decimales)uniforme, m / m ( decimales)Q =Q = caudal, m3 / s caudal, m3 / sn =n = coeficiente de rugosidad coeficiente de rugosidad
La ecuación general para el flujo uniforme, en el sistema ingles La ecuación general para el flujo uniforme, en el sistema ingles es: es: v = 1.486 ( R2/3 S1/2 / n ) v = 1.486 ( R2/3 S1/2 / n ) Q = 1.486 A( R2/3 S1/2 / n )Q = 1.486 A( R2/3 S1/2 / n )
CONSIDERACIONES CONSIDERACIONES PRACTICAS PARA EL PRACTICAS PARA EL
DISEÑO DEDISEÑO DE CANALES SEGÚN CANALES SEGÚN
NORMAS:NORMAS:
A nivel de parcela lo mas generalizado A nivel de parcela lo mas generalizado es encontrar canales de tierra de es encontrar canales de tierra de sección trapezoidal , por lo sección trapezoidal , por lo cual las recomendaciones cual las recomendaciones que se proporcionan estarán que se proporcionan estarán mas a estos tipos de canales.mas a estos tipos de canales.
El diseño implica en darle valor El diseño implica en darle valor numérico a las siguientes numérico a las siguientes especificaciones técnicas:especificaciones técnicas:
Donde:Q = caudal en, m3 / sV = velocidad media del agua, en m / sS = pendiente, en m / m n = coeficiente de rugosidad, sin unidadesZ = taludb = ancho de solera, en m.y = tirante, en m.A = área hidráulica, en m2B.L = H – y borde libre, en m.H = profundidad total desde la corona al fondo del canal, en m.C = ancho de corona, en m.
1.- CAUDAL (Q)1.- CAUDAL (Q)
El caudal se calcula utilizando al formula El caudal se calcula utilizando al formula de manning:de manning:
Q = A ( R2/3 S1/2 / n )Q = A ( R2/3 S1/2 / n )
Donde:Donde:V = V = velocidad media, m / svelocidad media, m / sR = radio hidráulico, mR = radio hidráulico, mS = pendiente de las línea de energía, S = pendiente de las línea de energía, para el para el
flujo uniforme, m / m ( decimales)flujo uniforme, m / m ( decimales)Q = caudal, m3 / sQ = caudal, m3 / sn = coeficiente de rugosidadn = coeficiente de rugosidad
Para el diseño de un canal a nivel parcelario, el cual tiene que Para el diseño de un canal a nivel parcelario, el cual tiene que ser un dato de partida, que se puede calcular con base al ser un dato de partida, que se puede calcular con base al modulo de riego ( l.p.s. / Ha), la superficie que se va a modulo de riego ( l.p.s. / Ha), la superficie que se va a regar ( Ha ) y el caudal que resulte de las perdidas por regar ( Ha ) y el caudal que resulte de las perdidas por infiltración durante la conducción.infiltración durante la conducción.
En el caso de que el canal sirva para evacuar las aguas En el caso de que el canal sirva para evacuar las aguas pluviales, el caudal de diseño se calcula tomando en cuenta las pluviales, el caudal de diseño se calcula tomando en cuenta las consideraciones hidrológicas.consideraciones hidrológicas.
En el caso de que el canal sirva como fines hidroelelectricos, En el caso de que el canal sirva como fines hidroelelectricos, el caudal de diseño se encuentra en función de la potencia a el caudal de diseño se encuentra en función de la potencia a generar y la caída topográfica.generar y la caída topográfica.
En el caso en el canal sirva como uso poblacional, el caudal En el caso en el canal sirva como uso poblacional, el caudal de diseño se calcula en función de la población a servir.de diseño se calcula en función de la población a servir.
En cualquiera de los casos, por lo general, lo que se busca En cualquiera de los casos, por lo general, lo que se busca es encontrar las dimensiones del canal, para conducir el es encontrar las dimensiones del canal, para conducir el caudal determinado, de acuerdo con las necesidades de uso caudal determinado, de acuerdo con las necesidades de uso del proyecto, sea para riego, drenaje, hidroeléctrico o uso del proyecto, sea para riego, drenaje, hidroeléctrico o uso poblacional.poblacional.
2.- 2.- Velocidad Velocidad Media en los Media en los Canales ( Canales ( V V ))
La velocidad media se puede determinar La velocidad media se puede determinar por medio de la formula de manning.por medio de la formula de manning.
V = ( R2/3 S1/2 / n )V = ( R2/3 S1/2 / n )
Donde :Donde : V = V = velocidad media, m / svelocidad media, m / s R = radio hidráulico, mR = radio hidráulico, m S = pendiente de las línea de energía, S = pendiente de las línea de energía, para el flujo Uniforme, m / m para el flujo Uniforme, m / m n = coeficiente de rugosidadn = coeficiente de rugosidad
La velocidad en los canales, varían en un rango La velocidad en los canales, varían en un rango cuyo limite son las velocidades mínima cuyo limite son las velocidades mínima que no produzca deposito de materiales que no produzca deposito de materiales sólidos en suspensión (sedimentación ) , y la sólidos en suspensión (sedimentación ) , y la máxima que no produzca erosión en las máxima que no produzca erosión en las paredes y el fondo del canal. Las velocidades paredes y el fondo del canal. Las velocidades mayores que los valores máximos permisible mayores que los valores máximos permisible modifican las rasantes y crean dificultades al modifican las rasantes y crean dificultades al funcionamiento de las estructuras que tenga el funcionamiento de las estructuras que tenga el canal . A la inversa, los problemas de canal . A la inversa, los problemas de sedimentación ocasionado por las bajas sedimentación ocasionado por las bajas velocidades demandan mayores gastos de velocidades demandan mayores gastos de conservación, por que se embarcan y conservación, por que se embarcan y disminuye su capacidad de conducción.disminuye su capacidad de conducción.
Se han encontrado muchos resultados experimentales Se han encontrado muchos resultados experimentales sobre estos limites, para canales alojados en tierra, en sobre estos limites, para canales alojados en tierra, en general están comprendido entre 0.30 y 0.90 m / s.general están comprendido entre 0.30 y 0.90 m / s.
La tabla que se muestra, proporciona el rango de La tabla que se muestra, proporciona el rango de velocidades máximas recomendable, en función de las velocidades máximas recomendable, en función de las características del material en el cual están alojados.características del material en el cual están alojados.
Características de los suelosCaracterísticas de los suelos Velocidad máximas ( m / s)Velocidad máximas ( m / s)
Canales en tierra francaCanales en tierra francaCanales en tierra arcillosaCanales en tierra arcillosaCanales revestidos con piedra yCanales revestidos con piedra y mezcla simplemezcla simpleCanales con mampostería deCanales con mampostería de piedra y concretopiedra y concretoCanales revestidos con concretoCanales revestidos con concreto
CANALES EN ROCACANALES EN ROCApizarrapizarraAreniscas consolidadasAreniscas consolidadasRocasRocas durasduras,, granito, etc. granito, etc.
0.600.600.900.901.001.00
2.002.00
3.003.00
1.251.251.501.503 a 53 a 5
3.- Pendiente 3.- Pendiente Admisible en Admisible en
Canales de tierra ( Canales de tierra ( S S ))
La pendiente, en general, debe ser La pendiente, en general, debe ser la mínima que permita dominar la mínima que permita dominar la mayor superficie posible de la mayor superficie posible de tierra y que, a la vez , de tierra y que, a la vez , de valores para la velocidad , que no valores para la velocidad , que no causen erosión del material en causen erosión del material en que esta alojado el canal, ni que esta alojado el canal, ni depósito de azolve.depósito de azolve.
La pendiente máxima admisible La pendiente máxima admisible para canales varia según la textura, en para canales varia según la textura, en la tabla siguiente se muestran las la tabla siguiente se muestran las pendientes máximas recomendable pendientes máximas recomendable en función del tipo de suelo.en función del tipo de suelo.
Tipo de suelosTipo de suelos Pendiente S (0/00)Pendiente S (0/00)
Suelo sueltoSuelo suelto
Suelo francosSuelo francos
Suelo arcillosoSuelo arcilloso
0.5 - 1.00.5 - 1.0
1.5 – 2.51.5 – 2.5
3.0 – 4.53.0 – 4.5
Nota: durante el diseño no necesariamente se debe tomar estos valores máximos.
4.- 4.- Taludes ( Z )Taludes ( Z )
Los taludes se designan, como la reacción Los taludes se designan, como la reacción de la proyección a la vertical, de la de la proyección a la vertical, de la inclinación de las paredes laterales.inclinación de las paredes laterales.
La inclinación de las paredes laterales, La inclinación de las paredes laterales, depende en cada caso particular de varios depende en cada caso particular de varios factores, pero muy particularmente en la factores, pero muy particularmente en la clase de terrenos en donde están alojados.clase de terrenos en donde están alojados.
Mientras mas inestable sea el material, Mientras mas inestable sea el material, menor será el ángulo de inclinación de menor será el ángulo de inclinación de los taludes.los taludes.
La siguiente tabla muestra los valores de La siguiente tabla muestra los valores de los taludes recomendados para los taludes recomendados para distintos materiales.distintos materiales.
Características de Características de los sueloslos suelos
Canales pocos Canales pocos profundosprofundos
Canales Canales profundosprofundos
Roca en buenas Roca en buenas condicionescondiciones
Arcilla compacta Arcilla compacta o conglomeradoo conglomerado
Limos arcillososLimos arcillosos
Limos arenososLimos arenosos
Arenas sueltasArenas sueltas
VerticalVertical
0.5 : 10.5 : 1
1 : 11 : 1
1.5 : 11.5 : 1
2 : 12 : 1
0.25 : 10.25 : 1
1 : 11 : 1
1.5 : 1 1.5 : 1
2 : 1 2 : 1
11
5.- 5.- Coeficiente de Coeficiente de Rugosidad( n )Rugosidad( n )
En forma practica , los valores En forma practica , los valores del coeficiente de rugosidad que se del coeficiente de rugosidad que se usan para el diseño de canales usan para el diseño de canales alojados en tierra están comprendido alojados en tierra están comprendido entre 0.025 y 0.030 y para canales entre 0.025 y 0.030 y para canales revestidos de concreto entre 0.013 y revestidos de concreto entre 0.013 y 0.015 .0.015 .
Para una mejor selección de n, según el Para una mejor selección de n, según el tipo de rugosidad, se pueden obtener los tipo de rugosidad, se pueden obtener los valores de rugosidad que se presente valores de rugosidad que se presente en tablas y manuales de hidráulica.en tablas y manuales de hidráulica.
6.- 6.- Ancho de Soleras ( Ancho de Soleras ( b )b )
Resulta muy útil para cálculos Resulta muy útil para cálculos posteriores, fijar de antemano un valorposteriores, fijar de antemano un valor para el ancho de solera , plantilla o para el ancho de solera , plantilla o base, con la cual, teniendo fijo el base, con la cual, teniendo fijo el valor del talud y ancho de solera, se valor del talud y ancho de solera, se puede manejar con facilidad la formula puede manejar con facilidad la formula para calcular el tirante.para calcular el tirante.
Una recomendación practica de fijar el Una recomendación practica de fijar el ancho de solera, es en función del caudal, ancho de solera, es en función del caudal, la cual se muestra en la siguiente tablala cual se muestra en la siguiente tabla
Caudal Q ( mCaudal Q ( m33 / s) / s) Solera b ( m )Solera b ( m )
Menor de 0.100Menor de 0.100
Entre 0.100 y 1.200Entre 0.100 y 1.200
Entre 2.00 y 4.00 Entre 2.00 y 4.00
mayor de 4.00mayor de 4.00
0.300.30
0.500.50
0.750.75
1.001.00
Nota:Nota: Para canales pequeños, el ancho de Para canales pequeños, el ancho de solera, estará en función del ancho de la pala de la solera, estará en función del ancho de la pala de la maquinaria disponible para la construcciónmaquinaria disponible para la construcción
7.- Tirante( y ):7.- Tirante( y ):
Es recomendable que quede en corte o siempre Es recomendable que quede en corte o siempre en excavación, aunque puede aceptarse que en excavación, aunque puede aceptarse que parte de el quede en la la plataforma de relleno.parte de el quede en la la plataforma de relleno.
Para canales en media ladera se buscara que el Para canales en media ladera se buscara que el tirante sea el máximo posible, a fin que el ancho tirante sea el máximo posible, a fin que el ancho del canal disminuya y el movimiento de tierras del canal disminuya y el movimiento de tierras sea menor. Sin embargo en suelos rocosos por sea menor. Sin embargo en suelos rocosos por consideración constructiva podría seleccionarse consideración constructiva podría seleccionarse tirantes pequeños y utilizar la plataforma de tirantes pequeños y utilizar la plataforma de excavación para el camino de mantenimiento.excavación para el camino de mantenimiento.
En terrenos planos y canales sin revestir se En terrenos planos y canales sin revestir se preferirá tirantes pequeños a fin de reducir los preferirá tirantes pequeños a fin de reducir los esfuerzos de corteesfuerzos de corte
Una regla empírica generalmente usada Una regla empírica generalmente usada en los Estados Unidos, establece el valor en los Estados Unidos, establece el valor máximo de la profundidad de los máximo de la profundidad de los canales en tierra según la siguiente canales en tierra según la siguiente relación: (Q > 3 m3/s)relación: (Q > 3 m3/s)
Y = ( A ) ½ / 2Y = ( A ) ½ / 2Y para Q < 3 m3/s:Y para Q < 3 m3/s:
Y = ( A ) ½ /3Y = ( A ) ½ /3Donde:Donde:
Y = Y = Tirante hidráulico, en m.Tirante hidráulico, en m. A = Área de la sección transversal, en m2A = Área de la sección transversal, en m2
otros autores establecen :otros autores establecen : y =y =b / 3b / 3
Donde:Donde: b = ancho de solera o base, en mb = ancho de solera o base, en m
Sección de máxima eficiencia hidráulica:Sección de máxima eficiencia hidráulica: b / y = 2 tg ( b / y = 2 tg ( / 2 ) / 2 )
oo b / y = 2 ((1 + Z2 )1/2 –Z) b / y = 2 ((1 + Z2 )1/2 –Z)
Sección de mínima infiltración:Sección de mínima infiltración: b / y = 4 tg ( b / y = 4 tg ( / 2 ) / 2 )
oo b / y = 4 ((1 + Z2 )1/2 –Z ) b / y = 4 ((1 + Z2 )1/2 –Z )
Valor medio de las dos anteriores:Valor medio de las dos anteriores: b / y = 3 tg ( b / y = 3 tg ( / 2 ) , o / 2 ) , o
b / y = 3 ((1 + Z2 )1/2 –Z)b / y = 3 ((1 + Z2 )1/2 –Z)
8.-8.-Area Hidráulica Area Hidráulica (A):(A):
Para el caso de una sección Para el caso de una sección trapezoidal, una vez calculado el trapezoidal, una vez calculado el ancho de la solera, talud y el tirante, ancho de la solera, talud y el tirante, se obtiene usando la relación se obtiene usando la relación geométrica:geométrica:
A = ( b + ZA = ( b + Zyy) ) yy
También se puede usar la ecuación de También se puede usar la ecuación de la continuidad, si se conoce el caudal la continuidad, si se conoce el caudal y la velocidad mediante la siguiente y la velocidad mediante la siguiente ecuación:ecuación:
A = Q / A = Q / vv
9.- Borde Libre.9.- Borde Libre.
En la determinación de la sección En la determinación de la sección transversal de los canales, resulta transversal de los canales, resulta necesario, dejar cierto desnivel entre la necesario, dejar cierto desnivel entre la superficie libre del agua y la corona de los superficie libre del agua y la corona de los bordes (B.L o fb) como margen de bordes (B.L o fb) como margen de seguridad, a fin de absorber los niveles seguridad, a fin de absorber los niveles extraordinarios que puedan presentarse por extraordinarios que puedan presentarse por sobre el caudal de diseño del canal. sobre el caudal de diseño del canal.
B.L = H - B.L = H - yy Una practica corriente para canales en Una practica corriente para canales en
tierra, es dejar un bordo libre o resguardo tierra, es dejar un bordo libre o resguardo igual a un tercio del tirante, es decir:igual a un tercio del tirante, es decir:
B.L = B.L = y / 3 y / 3 Mientras para canales revestidos, el borde Mientras para canales revestidos, el borde
libre puede ser la quinta parte del tirante:libre puede ser la quinta parte del tirante:B.L = B.L = y / 5 y / 5
Existen también otros criterios para Existen también otros criterios para seleccionar el valor del borde libre:seleccionar el valor del borde libre:
En relación al caudal se tiene:En relación al caudal se tiene:Caudal ( mCaudal ( m33 / s) / s) Borde libreBorde libre
Menores que 0.50Menores que 0.50
Mayores que 0.50Mayores que 0.50
0.300.30
0.400.40
En relación al ancho de solera se tiene:Ancho de solera ( m ) Ancho de solera ( m ) Borde libre ( m ) Borde libre ( m )
Hasta 0.80Hasta 0.80
De 0.80 a 1.50De 0.80 a 1.50
De 1.50 a 3.00De 1.50 a 3.00
De 3.00 a 20.00De 3.00 a 20.00
0.400.40
0.500.50
0.600.60
1.001.00
En función al caudal, la En función al caudal, la secretaría de recursos hidráulicos de secretaría de recursos hidráulicos de México recomiendaMéxico recomienda
Caudal Caudal ( m( m33 / s ) / s )
Canal revestido Canal revestido ( cm. ) ( cm. )
Canal sin revestir Canal sin revestir ( cm.)( cm.)
0.050.050.05 – 0.250.05 – 0.250.25 – 0.500.25 – 0.500.50 – 1.000.50 – 1.00
1 1
7.57.510102020
2502503030
10102020404050506060
10.- Profundidad 10.- Profundidad Total ( H )Total ( H )
La profundidad total del canal La profundidad total del canal se encuentra una vez conocida el se encuentra una vez conocida el tirante de agua y el borde libre, es decirtirante de agua y el borde libre, es decir
H = H = y + y + B. L B. L
Por lo general, para el proceso Por lo general, para el proceso de construcción, este valor se de construcción, este valor se redondea.redondea.
11.- Ancho de 11.- Ancho de corona ( C )corona ( C )
El ancho de corona , de los bordos de los canales El ancho de corona , de los bordos de los canales en su parte superior, depende esencialmente del en su parte superior, depende esencialmente del servicio que estos habrán de prestar.servicio que estos habrán de prestar.
En canales grandes se hacen suficientemente En canales grandes se hacen suficientemente anchos, 6.50 m como mínimo, para permitir anchos, 6.50 m como mínimo, para permitir el transito de vehículos y equipos de el transito de vehículos y equipos de conservación, a fin de facilitar los trabajos conservación, a fin de facilitar los trabajos de inspección y distribución de agua. de inspección y distribución de agua.
En canales mas pequeños, el ancho superior En canales mas pequeños, el ancho superior de la corona puede diseñarse aproximadamente de la corona puede diseñarse aproximadamente igual al tirante del canal. En función del caudal, igual al tirante del canal. En función del caudal, se puede considerar un ancho de corona de se puede considerar un ancho de corona de 0.60 m. para caudales menores de 0.50 m3 0.60 m. para caudales menores de 0.50 m3 / s y 1.00 m para caudales mayores./ s y 1.00 m para caudales mayores.
OTRAS OTRAS CONSIDERACIONES CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DE PARA EL DISEÑO DE
CANALES CANALES SEGÚN LAS NORMASSEGÚN LAS NORMAS
Radios mínimos en Radios mínimos en canalescanales
En el diseño de canales, el cambio brusco En el diseño de canales, el cambio brusco de dirección se de dirección se sustituye por una curva cuyo radio no debe sustituye por una curva cuyo radio no debe ser muy grande, y debe escogerse un radio ser muy grande, y debe escogerse un radio mínimo, dado que al trazar curvas con mínimo, dado que al trazar curvas con radios mayores al mínimo no significa radios mayores al mínimo no significa ningún ahorro de energía, es decir la ningún ahorro de energía, es decir la curva no será hidráulicamente más curva no será hidráulicamente más eficiente, en cambio sí será más costoso eficiente, en cambio sí será más costoso al darle una mayor longitud o mayor al darle una mayor longitud o mayor desarrollo.desarrollo.
Las siguientes tablas indican radios mínimos Las siguientes tablas indican radios mínimos según las normas del ILRI:según las normas del ILRI:Radio mínimo en canales abiertos para Q > 10 m3/sRadio mínimo en canales abiertos para Q > 10 m3/s
Capacidad del canalCapacidad del canal Radio mínimoRadio mínimo
Hasta 10 m3/sHasta 10 m3/s 3 * ancho de la base3 * ancho de la base
De 10 a 14 m3/sDe 10 a 14 m3/s 4 * ancho de la base4 * ancho de la base
De 14 a 17 m3/sDe 14 a 17 m3/s 5 * ancho de la base5 * ancho de la base
De 17 a 20 m3/sDe 17 a 20 m3/s 6 * ancho de la base6 * ancho de la base
De 20 m3/s a mayorDe 20 m3/s a mayor 7 * ancho de la base7 * ancho de la base
Los radios mínimos deben ser redondeados hasta el Los radios mínimos deben ser redondeados hasta el próximo metro superior.próximo metro superior.
Fuente: “International Institute For Land Reclamation And Improvement” ILRI, Principios y Aplicaciones del Drenaje, Tomo IV, Wageningen The Netherlands 1978.
Radio mínimo en canales abiertos en función del espejo de aguaRadio mínimo en canales abiertos en función del espejo de agua
CANALES DE RIEGOCANALES DE RIEGO CANALES DE DRENAJECANALES DE DRENAJE
TipoTipo RadioRadio TipoTipo RadioRadio
Sub – canalSub – canal 4T4T Colector principalColector principal 5T5T
LateralLateral 3T3T ColectorColector 5T5T
Sub – lateralSub – lateral 3T3T Sub – colectorSub – colector 5T5T
Siendo T el ancho superior del espejo de aguaSiendo T el ancho superior del espejo de agua
Fuente: Salzgitter Consult GMBH “Planificación de Canales, Zona Piloto Ferreñafe” Tomo II/ 1- Proyecto Tinajones – Chiclayo 1984.
Radio mínimo en canales Radio mínimo en canales abiertos para Q < 20 m3/sabiertos para Q < 20 m3/s
Capacidad del canalCapacidad del canal Radio mínimoRadio mínimo
20 m20 m33/s/s 100 m100 m
15 m15 m33/s/s 80 m80 m
10 m10 m33/s/s 60 m60 m
5 m5 m33/s/s 20 m20 m
1 m1 m33/s/s 10 m10 m
0,5 m0,5 m33/s/s 5 m5 m
Fuente: Ministerio de Agricultura y Alimentación, Boletín Técnico N- 7 “Consideraciones Generales sobre Canales Trapezoidales” Lima 1978.Sobre la base de estas tablas se puede seleccionar el radio mínimo que más se ajuste a nuestro criterio.
Elementos de una CurvaElementos de una Curva
A = Arco, es la longitud de curva medida en cuerdas de A = Arco, es la longitud de curva medida en cuerdas de 20 m.20 m.
C = Cuerda larga, es la cuerda que sub – tiende la curva C = Cuerda larga, es la cuerda que sub – tiende la curva desde PC hasta PT.desde PC hasta PT.
ß = Angulo de deflexión, formado en el PI.ß = Angulo de deflexión, formado en el PI. E = Externa, es la distancia de PI a la curva medida en E = Externa, es la distancia de PI a la curva medida en
la bisectriz.la bisectriz. F = Flecha, es la longitud de la perpendicular bajada del F = Flecha, es la longitud de la perpendicular bajada del
punto punto medio de la curva a la cuerda larga.medio de la curva a la cuerda larga. G = Grado, es el ángulo central.G = Grado, es el ángulo central. LC = Longitud de curva que une PC con PT.LC = Longitud de curva que une PC con PT. PC = Principio de una curva.PC = Principio de una curva. PI = Punto de inflexión.PI = Punto de inflexión. PT = Punto de tangente.PT = Punto de tangente. PSC = Punto sobre curva.PSC = Punto sobre curva. PST = Punto sobre tangente.PST = Punto sobre tangente. R = Radio de la curva.R = Radio de la curva. ST = Sub tangente, distancia del PC al PI.ST = Sub tangente, distancia del PC al PI.
Sección Hidráulica Optima :Sección Hidráulica Optima : Determinación de Máxima Determinación de Máxima Eficiencia Hidráulica: Eficiencia Hidráulica: Se dice que un Se dice que un canal es de máxima eficiencia canal es de máxima eficiencia hidráulica cuando para la misma hidráulica cuando para la misma área y pendiente conduce el mayor área y pendiente conduce el mayor caudal, ésta condición está referida caudal, ésta condición está referida a un perímetro húmedo mínimo, la a un perímetro húmedo mínimo, la ecuación que determina la sección ecuación que determina la sección de máxima eficiencia hidráulica es:de máxima eficiencia hidráulica es:
Determinación de Mínima Infiltración:Determinación de Mínima Infiltración: Se aplica cuando se quiere Se aplica cuando se quiere obtener la menor pérdida posible obtener la menor pérdida posible de agua por infiltración en canales de agua por infiltración en canales de tierra, esta condición depende del de tierra, esta condición depende del tipo de suelo y del tirante del tipo de suelo y del tirante del canal, la ecuación que canal, la ecuación que determina la mínima infiltración es:determina la mínima infiltración es:
La siguiente tabla presenta estas condiciones, además del promedio el cual se recomienda.
2*4 tg
yb
Relación plantilla vs. tirante para, Relación plantilla vs. tirante para, máxima eficiencia, mínima máxima eficiencia, mínima infiltración y el promedio de ambasinfiltración y el promedio de ambas..
Talud Angulo MáximaEficiencia
Mínima Infiltración
Promedio
Vertical 90°00´ 2.0000 4.0000 3.00001 / 4 : 1 75°58´ 1.5616 3.1231 2.34231 / 2 : 1 63°26´ 1.2361 2.4721 1.85414 / 7 : 1 60°15´ 1.1606 2.3213 1.74103 / 4 : 1 53°08´ 1.0000 2.0000 1.5000
1:1 45°00´ 0.8284 1.6569 1.24261 ¼ : 1 38°40´ 0.7016 1.4031 1.05231 ½ : 1 33°41´ 0.6056 1.2111 0.90832 : 1 26°34´ 0.4721 0.9443 0.70823 : 1 18°26´ 0.3246 0.6491 0.4868
De todas las secciones trapezoidales, la De todas las secciones trapezoidales, la más eficiente es aquella donde el ángulo a más eficiente es aquella donde el ángulo a que forma el talud con la horizontal es que forma el talud con la horizontal es 60°, además para cualquier sección de 60°, además para cualquier sección de máxima eficiencia debe cumplirse: máxima eficiencia debe cumplirse:
R = y/2 R = y/2 Donde:Donde:R = Radio hidráulicoR = Radio hidráulicoy = Tirante del canaly = Tirante del canal
No siempre se puede diseñar de acuerdo No siempre se puede diseñar de acuerdo a las condiciones mencionadas, al final se a las condiciones mencionadas, al final se imponen una serie de circunstancias locales imponen una serie de circunstancias locales que imponen un diseño propio para cada que imponen un diseño propio para cada situación.situación.
Diseño de secciones hidráulicasDiseño de secciones hidráulicas Se debe tener en cuenta ciertos factores, tales Se debe tener en cuenta ciertos factores, tales
como: tipo de material del cuerpo del canal, como: tipo de material del cuerpo del canal, coeficiente de rugosidad, velocidad máxima y coeficiente de rugosidad, velocidad máxima y mínima permitida, pendiente del canal, taludes, etc.mínima permitida, pendiente del canal, taludes, etc.
La ecuación más utilizada es la de Manning o La ecuación más utilizada es la de Manning o Strickler, y su expresión es:Strickler, y su expresión es:
Donde:Q = Caudal (m3/s)n = RugosidadA = Área (m2)R = Radio hidráulico = Área de la sección húmeda / Perímetro Húmedo
2/12/31 SARn
Q
Criterios para el Criterios para el diseño de un diseño de un
canalcanal
Se tienen diferentes factores Se tienen diferentes factores que se consideran en el diseño de que se consideran en el diseño de canales, aunque el diseño final se canales, aunque el diseño final se hará considerando las diferentes hará considerando las diferentes posibilidades y el resultado será posibilidades y el resultado será siempre una solución de compromiso, siempre una solución de compromiso, porque nunca se podrán eliminar todos porque nunca se podrán eliminar todos los riesgos y desventajas , únicamente los riesgos y desventajas , únicamente se asegurarán que la influencia se asegurarán que la influencia negativa sea la mayor posible y que la negativa sea la mayor posible y que la solución técnica propuesta no sea solución técnica propuesta no sea inconveniente debido a los altos costos. inconveniente debido a los altos costos.
1.- RUGOSIDAD1.- RUGOSIDAD Esta depende del cauce y el talud, dado a las paredes Esta depende del cauce y el talud, dado a las paredes
laterales del mismo, vegetación, laterales del mismo, vegetación, irregularidad y trazado del canal, radio hidráulico irregularidad y trazado del canal, radio hidráulico y obstrucciones en el canal, generalmente cuando se y obstrucciones en el canal, generalmente cuando se diseña canales en tierra se supone que el diseña canales en tierra se supone que el canal está recientemente abierto, limpio y con canal está recientemente abierto, limpio y con un trazado uniforme, sin embargo el valor de un trazado uniforme, sin embargo el valor de rugosidad inicialmente asumido difícilmente se rugosidad inicialmente asumido difícilmente se conservará con el tiempo, lo que quiere decir que conservará con el tiempo, lo que quiere decir que en la práctica constantemente se hará frente a un en la práctica constantemente se hará frente a un continuo cambio de la rugosidad. La siguiente continuo cambio de la rugosidad. La siguiente tabla nos da valores de “n” estimados, estos valores tabla nos da valores de “n” estimados, estos valores pueden ser refutados con investigaciones y pueden ser refutados con investigaciones y manuales, sin embargo no dejan de ser una manuales, sin embargo no dejan de ser una referencia para el diseño:referencia para el diseño:
Valores de rugosidad “n” Valores de rugosidad “n” de Manningde Manning
nn SuperficieSuperficie0.0100.010 Muy lisa, vidrio, plástico, cobre.Muy lisa, vidrio, plástico, cobre.0.0110.011 Concreto muy liso.Concreto muy liso.0.0130.013 Madera suave, metal, concreto frotachado.Madera suave, metal, concreto frotachado.0.0170.017 Canales de tierra en buenas condiciones.Canales de tierra en buenas condiciones.0.0200.020 Canales naturales de tierra, libres de vegetación.Canales naturales de tierra, libres de vegetación.0.0250.025 Canales naturales con alguna vegetación y piedras Canales naturales con alguna vegetación y piedras
esparcidas en el fondo.esparcidas en el fondo.0.0350.035 Canales naturales con abundante vegetación.Canales naturales con abundante vegetación.0.0400.040 Arroyos de montaña con muchas piedras.Arroyos de montaña con muchas piedras.
2.- 2.- Talud apropiado según Talud apropiado según el tipo de materialel tipo de material
La inclinación de las paredes laterales La inclinación de las paredes laterales de un canal, depende de varios factores de un canal, depende de varios factores pero en especial de la clase de terreno pero en especial de la clase de terreno donde están alojados, la U.S. donde están alojados, la U.S. BUREAU OF RECLAMATION BUREAU OF RECLAMATION recomienda un talud único de 1,5:1 recomienda un talud único de 1,5:1 para sus canales , a continuación se para sus canales , a continuación se presenta un cuadro de taludes presenta un cuadro de taludes apropiados para distintos tipos de apropiados para distintos tipos de material:material:
Taludes apropiados para Taludes apropiados para distintos tipos de materialdistintos tipos de material
MATERIALMATERIAL TALUDTALUD (horizontal : vertical)(horizontal : vertical)
RocaRoca Prácticamente verticalPrácticamente vertical
Suelos de turba y detritosSuelos de turba y detritos 0.25 : 10.25 : 1
Arcilla compacta o tierra con recubrimiento de Arcilla compacta o tierra con recubrimiento de concretoconcreto
0.5 : 1 hasta 1:10.5 : 1 hasta 1:1
Tierra con recubrimiento de piedra o tierra en grandesTierra con recubrimiento de piedra o tierra en grandes canalescanales
1:11:1
Arcilla firma o tierra en canales pequeñosArcilla firma o tierra en canales pequeños 1.5 : 11.5 : 1
Tierra arenosa sueltaTierra arenosa suelta 2:12:1
Greda arenosa o arcilla porosaGreda arenosa o arcilla porosa 3:13:1
Fuente: Aguirre Pe, Julián, “Hidráulica de canales”, centro Interamericano de Desarrollo de Aguas y Tierras – CIDIAT, Merida, Venezuela, 1974
Pendientes laterales en Pendientes laterales en canales según tipo de suelocanales según tipo de suelo
MATERIALMATERIAL CANALES POCO CANALES POCO PROFUNDOSPROFUNDOS
CANALES CANALES PROFUNDOSPROFUNDOS
Roca en buenas condicionesRoca en buenas condiciones VerticalVertical0.25 : 10.25 : 1
Arcillas compactas o Arcillas compactas o conglomeradosconglomerados
0.5 : 10.5 : 1 1 : 11 : 1
Limos arcillososLimos arcillosos 1 : 11 : 1 1.5 : 11.5 : 1
Limos arenososLimos arenosos 1.5 : 11.5 : 1 2 : 12 : 1
Arenas sueltasArenas sueltas 2 : 12 : 1 3 : 13 : 1
ConcretoConcreto 1 : 11 : 1 1.5 : 11.5 : 1
Fuente: Aguirre Pe, Julián, “Hidráulica de canales”, Dentro Interamericano de Desarrollo de Aguas y Tierras – CIDIAT, Merida, Venezuela, 1974
3.- 3.- Velocidades máxima y Velocidades máxima y mínima permisiblemínima permisible
La velocidad mínima permisible es La velocidad mínima permisible es aquella velocidad que no permite sedimentación, aquella velocidad que no permite sedimentación, este valor es muy variable y no puede ser este valor es muy variable y no puede ser determinado con exactitud, cuando el agua fluye determinado con exactitud, cuando el agua fluye sin limo este valor carece de importancia, sin limo este valor carece de importancia, pero la baja velocidad favorece el crecimiento pero la baja velocidad favorece el crecimiento de las plantas, en canales de tierra, da el valor de las plantas, en canales de tierra, da el valor de 0.762 m / seg. Como la velocidad apropiada de 0.762 m / seg. Como la velocidad apropiada que no permite sedimentación y además que no permite sedimentación y además impide el crecimiento de plantas en el canal.impide el crecimiento de plantas en el canal.
La velocidad máxima permisible, algo La velocidad máxima permisible, algo bastante complejo y generalmente se estima bastante complejo y generalmente se estima empleando la experiencia local o el juicio empleando la experiencia local o el juicio del ingeniero; las siguientes tablas nos dan del ingeniero; las siguientes tablas nos dan valores sugeridos.valores sugeridos.
Máxima velocidad permitida en canales no recubiertos de Máxima velocidad permitida en canales no recubiertos de
vegetaciónvegetación MATERIAL DE LA CAJA MATERIAL DE LA CAJA
DEL CANALDEL CANAL““n”n”ManningManning
Velocidad (m/s)Velocidad (m/s)
AguaAgualimpialimpia
Agua con partículas Agua con partículas coloidalescoloidales
Agua transportando arena, Agua transportando arena, grava o fragmentosgrava o fragmentos
Arena fina coloidalArena fina coloidal 0.0200.020 1.451.45 0.750.75 0.450.45
Franco arenoso no coloidalFranco arenoso no coloidal 0.0200.020 0.530.53 0.750.75 0.600.60
Franco limoso no coloidalFranco limoso no coloidal 0.0200.020 0.600.60 0.900.90 0.600.60
Limos aluviales no Limos aluviales no coloidalescoloidales
0.0200.020 0.600.60 1.051.05 0.600.60
Franco consistente normalFranco consistente normal 0.0200.020 0.750.75 1.051.05 0.680.68
Ceniza volcánicaCeniza volcánica 0.0200.020 0.750.75 1.051.05 0.600.60
Arcilla consistente muy Arcilla consistente muy coloidalcoloidal
0.0250.025 1.131.13 1.501.50 0.900.90
Limo aluvial coloidalLimo aluvial coloidal 0.0250.025 1.131.13 1.501.50 0.900.90
Pizarra y capas durasPizarra y capas duras 0.0250.025 1.801.80 1.801.80 1.501.50
Grava finaGrava fina 0.0200.020 0.750.75 1.501.50 1.131.13
Suelo franco clasificado no Suelo franco clasificado no coloidalcoloidal
0.0300.030 1.131.13 1.501.50 0.900.90
Suelo franco clasificado Suelo franco clasificado coloidalcoloidal
0.0300.030 1.201.20 1.651.65 1.501.50
Grava gruesa no coloidalGrava gruesa no coloidal 0.0250.025 1.201.20 1.801.80 1.951.95
Gravas y guijarrosGravas y guijarros 0.0350.035 1.801.80 1.801.80 1.501.50Fuente: Krochin Sviatoslav. ”Diseño Hidráulico”, Ed. MIR, Moscú, 1978
Para velocidades máximas, en general, los canales Para velocidades máximas, en general, los canales viejos soportan mayores velocidades que los nuevos; viejos soportan mayores velocidades que los nuevos; además un canal profundo conducirá el agua a además un canal profundo conducirá el agua a mayores velocidades sin erosión, que otros menos mayores velocidades sin erosión, que otros menos profundos.profundos.Velocidades máximas en hormigón en función Velocidades máximas en hormigón en función de su resistenciade su resistencia::
RESISTENCIA,RESISTENCIA, en kg/cm2en kg/cm2
PROFUNDIDAD DEL TIRANTE EN PROFUNDIDAD DEL TIRANTE EN METROSMETROS
0.50.5 11 33 55 1010
5050 9.69.6 10.610.6 12.312.3 13.013.0 14.114.1
7575 11.211.2 12.412.4 14.314.3 15.215.2 16.416.4
100100 12.712.7 13.813.8 16.016.0 17.017.0 18.318.3
150150 14.014.0 15.615.6 18.018.0 19.119.1 20.620.6
200200 15.615.6 17.317.3 20.020.0 21.221.2 22.922.9Fuente: Krochin Sviatoslav. ”Diseño Hidráulico”, Ed. MIR, Moscú, 1978
4.- 4.- Borde libreBorde libre Es el espacio entre la cota de la corona y la Es el espacio entre la cota de la corona y la
superficie del agua, no existe ninguna regla fija superficie del agua, no existe ninguna regla fija que se pueda aceptar universalmente para el que se pueda aceptar universalmente para el calculo del borde libre, debido a que las calculo del borde libre, debido a que las fluctuaciones de la superficie del agua en un canal, se fluctuaciones de la superficie del agua en un canal, se puede originar por causas incontrolables.puede originar por causas incontrolables.
La U.S. BUREAU OF RECLAMATION recomienda La U.S. BUREAU OF RECLAMATION recomienda estimar el borde libre con la siguiente formula:estimar el borde libre con la siguiente formula:
CYBordeLibre Donde: (Borde libre: en pies.)C = 1.5 para caudales menores a 20 pies3 / seg., y hasta 2.5 para caudales del orden de los 3000 pies3/seg.Y = Tirante del canal en pies.
La secretaría de Recursos Hidráulicos de México, recomienda los siguientes valores en función del caudal:
Borde libre en función del Borde libre en función del caudalcaudal
Caudal m3/seg.Caudal m3/seg. RevestidoRevestido (cm.)(cm.)
Sin revestir Sin revestir (cm.)(cm.)
0.050.05 7.57.5 10.010.0
0.05 – 0.250.05 – 0.25 10.0010.00 20.020.0
0.25 – 0.500.25 – 0.50 20.020.0 40.040.0
0.50 – 1.000.50 – 1.00 25.025.0 50.050.0
1.001.00 30.030.0 60.060.0
Fuente: Ministerio de Agricultura y Alimentación, Boletín Técnico N- 7 “Consideraciones Generales sobre Canales Trapezoidales” Lima 1978
Máximo Villón Béjar, sugiere valores en función Máximo Villón Béjar, sugiere valores en función de la plantilla del canal.de la plantilla del canal.Borde libre en función de la plantilla del canal:Borde libre en función de la plantilla del canal:
Ancho de la plantilla (m)Ancho de la plantilla (m) Borde libre (m)Borde libre (m)
Hasta 0.8Hasta 0.8 0.40.4
0.8 – 1.50.8 – 1.5 0.50.5
1.5 – 3.01.5 – 3.0 0.60.6
3.0 – 20.03.0 – 20.0 1.01.0
Fuente: Villón Béjar, Máximo; “Hidráulica de canales”, Depto. De Ingeniería Agrícola – Instituto Tecnológico de Costa Rica, Editorial Hozlo, Lima, 1981
EJEMPLO DE EJEMPLO DE APLICACIONAPLICACION
……FIN DE EXPOSICIONFIN DE EXPOSICIONIng. Hugo Rojas Ing. Hugo Rojas
RubioRubio
